（交通信息工程及控制专业论文）基于DSP的直接转矩控制系统及多电平变流器的研究.pdf

内容提要 随着电力电子技术、控制技术和计算机等相关技术飞速发展，变频和变流技 术也得到了突破性进展。本论文在交流电机控制理论方面( 变频器控制技术) 选 择异步电机直接转矩控制技术作为研究方向；在变流器拓扑结构方面选择二极管 箝位多电平变流器作为研究重点，并给出了相应的研究成果。 在交流电机直接转矩控制技术方面，论文从空间矢量出发，简要分析异步电 机数学模型与直接转矩控制的理论基础，引出经典直接转矩控制方案；论文简要 分析三种定子磁链观测器，进而作了一些技术上的改进；论文从两个方面分析了 直接转矩控制中功率开关器件的开关频率；针对直接转矩控制的低速区转速脉动 等问题给出了几种相应的改进措施，并简单的介绍了基于d s p 的硬件控制系统。 在多电平变流技术方面，本论文选择二极管箝位式多电平逆变技术作为突破 口，对多电平逆变技术进行详细分析。本论文分析了二极管筘位式多电平逆变器 ( n 3 ) 分压电容电压偏移原因，并在拓扑结构上给出了解决方案；还提出了五 电平逆变器的型吸收电路，并给出二电平逆变器吸收电路应用n - - 极管箝位式 多电平逆变器的方法；论文还分析了多电平逆变器在抑制共模电压方面的作用， 并结合电压空间矢量调制方法来更好地抑制共模电压；论文还提出了一种二极管 箝位式多电平逆变器p 删调制技术，根据二极管筘位式多电平逆变器电压空间矢 量图等效原则，提出了复合控制方法，可以充分利用技术成熟的中性点箝位式逆 变器p w m 控制方式；在二极管箝位式多电平逆变器电压空间矢量控制方法上， 把矢量图等效成若干小的二电平逆变器电压矢量图，从而舍弃一些共模电压比较 高的电压矢量，进而提出一种二极管箝位式五电平逆交器电压空间矢量控制方 法。 关键词：直接转矩控制多电平变流器p w m 控制空间矢量异步电机控 制 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，c o n t r o l s t r a t e g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，i n v e r t e rt e c h n o l o g i e sh a v eb r o k e n t h r o u g hg r e a t l y t h ed i s s e r t a t i o nm a k e sr e s e a r c ho na s md t ci nc o n t r o l t h e o r yo fa cm o t o r ，e m p h a s i z e so nd i o d ec l a m p e dm u l t i - l e v e li n v e r t e ri n t o p o l o g ys t r u c t u r eo fi n v e r t e ra n dp r e s e n t st h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c h a c h i e v e m e n t s o nc o n t r o lt e c h n o l o g yo fa cm o t o r 。t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e sm a t h m o d e lo fa s ma n dt h e np r o d u c e sc o n v e n t i o n a lc l a s s i c a ld t cs t r a t e g yb a s e d o ns p a c ev e c t o r t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e st h r e ek i n d so fs t a t o rf l u x o b s e r v o ra n dm a k e sf u r t h e ri n n o v a t i o n s t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e s s w i t c h i n gf r e q u e n c yo fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c ea p p li e dt od t cb a s e do n t h r e ew a y sa n dp r e s e n t ss e v e r a lw a y so fd e c r e a s i n gv e l o c i t yr i p p l ei na l o ws p e e dz o n eo fd t c ，i nt h es o m eti m e 。h a r d w a r ec o n t r o ls y s t e mb a s e d o nd s pi sp r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o n o nm u l t i l e v e l i n e r t e rt e c h n o l o g y ，t h ed i s s e r t a t i o nt a k e s d i o d e - c l a m p e dm u l t i - l e v e li n v e r t e rs t r u c t u r ea sa ne x a m p l ea n de l a b o r a t e s o nm u l t i l e v e li n v e r t e rt e c h n o l o g y t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h ev o l t a g e v i o l a t i o no fv o l t a g e s h a r e dc a p a c i t o r so fd i o d e - c l a m p e dm u l t i - l e v e l i n v e r t e r ( n 3 ) a n dm a k e ss o l u t i o n s b a s e do nt o p o l o g ys t r u c t u r e t h e d i s s e r t a t i o na l s op r e s e n t s “ t y p es n u b b e rc i r c u i ta p p l i e d t o f i v e - l e v e li n v e r t e ra n dt h u sp r o d u c e sw a y so fe x t e n d i n gs n u b b e rc i r c u i t o ft w o l e v e li n v e r t e rt oo n eo fd i o d e - c l a m p e dm u l t i - l e v e li n v e r t e r 。t h e d i s s e r t a t i o na l s oa n y l y s e dt h ei m p a c to nr e s t r a i n i n gc m ( c o m m o nm o d e ) v o l t a g ea n dp r e s e n t sf u r t h e rw a y so fr e s t r a i n i n gc mv o l t a g eb a s e do n v o l t a g es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n f i n a l l y ，p w mm o d u l a t i o ns t r a t e g ya p p l i e d t od i o d e - c l a m p e dm u l t i - l e v e li n v e r t e ra n dc o m p r e h e n s i v ec o n t r o lm e t h o d b a s e do ne q u i v a l e n tp r i n c i p l eo fv o l t a g es p a c ev e c t o rd i a g r a ma r e p r e s e n t e da sar e s u l to ft e c h n o l o g ya b s o r p t i o no fp w mm o d u l a t i o ns t r a t e g y a p p l i e dt on e u r a l p o i n tc l a m p e di n v e r t e r f u r t h e r m o r e ，v o l t a g es p a c e 。 v e c t o rm o d u l a t i o ns t r a t e g yo fd i o d e - c l a m p e df i v e l e v e li n v e r t e ri s p r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fd i v i d i n gv o l t a g es p a c ev e c t o r d i a g r a mo fd i o d e - c l a m p e dm u l t i - l e v e li n v e r t e ri n t os o m ee q u i v a l e n t v o l t a g es p a c ev e c t o rd i a g r a m sa n d t h e na b a n d o n i n gs o m ev o l t a g ev e c t o r r e s u l t i n gi nh i g h e rc o n u n o nm o d ev o l t a g e k e y w o r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t r o l m u l t i - l e v e lc o n v e r t e rp w m c o n t r o l s p a c ev e c t o ra s mc o n t r o l 同济大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 变流技术发展与应用 交流电机变频调速技术是电力技术领域出现的实用的节电技术，可以降低生产成本、提 高产品质量。交频器是电机调速系统中实现功率变换的主要设备，这里的变频器是一种习惯 称法，其学科上术语为变流器，是将一种频率、幅值的交流电变为另一种频率( 可以是固定 频率也可以是可变频率) 、幅值的交流电的功率变换装置。 根据变换装置中有无中间直流环节，它可以分为无中间直流环节的交一交变流器( 又常 称直接变频器) 、有中间直流环节的交一直一交变流器( 又常称间接变频器) ；根据直流储能环 节的不同，交一直一交变流器又可分为：电压型交一直一交变流器( 储能环节为大电容) 、电流 型交一直一交变流器( 储能环节为大电感) h 坦。 电压型交一直一交变流器可由整流器、中间直流环节、逆变器构成。整流器是一种把交流 电压变换为直流电压的功率变换装置。中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平 坦，在理想情况下，是一种内阻抗为零的恒压源。将直流电转换为交流电的过程称之为逆变， 能够将直流电源逆变为频率可变的功率变换装置称逆变器。 自1 9 “年由晶闸管构成的第一台变频器问世以来，变频技术已得到长足发展。变频技 术发展可以归纳以下几个方面：电力电子技术发展：功率开关器件从第一代普通晶闸管 ( s c r ) ，发展到第二代大功率晶体管( g t r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 等，第三代m o s f e t 、绝 缘栅双极性晶体管( i g b t 及i p m ) 等，以及到目前h v i g b t ( 高压i g b t ) 、集成门极换向型晶 闸管i g e t 、电力电子积木( p e b b ) 等：控制系统发展：从开始的模拟技术发展到数字化 技术、从单片机控制发展到d s p 控制：控制技术发展：从开环的w f 控制，到转差控制、 矢量控制、直接转矩控制等闭环技术的发展，到模糊控制、非线性控制、自适应控制、滑模 变结构、人工智能等现代控制理论在交流调速中的应用，从而使无速度传感器控制、电机参 数辨识成为可能；拓扑结构发展：从二电平逆变技术到三电平逆变技术、以及全桥级连式、 二极管箝位式、电容箝位式多电平逆变技术的发展；p 删( 脉宽调制) 技术从正弦p w m 发展 至优化p w n 和随机p w m 技术及s v p w n i 等h h 璐l 哺】。 变频变流调速技术在我国工业上大量应用是从2 0 世纪8 0 年代中后期开始的，并取得了 显著成效。变频器主要应用以下领域：变频器主要应用于以节能为目的的风机、压缩机、 泵类等负载；在以替代、简化机械设备为目的轧机、电梯类等负载上变频器也取得了广泛 的应用；变频器在以提高工艺性能为目的的注塑机、拉丝机等负载上的应用也取得了一定 进展；变频器( 逆变器) 在地铁、轻轨、铁路干线、船舶等工作环境恶劣、性能要求高的 电牵引领域上的应用取得了长足发展：变频器( 逆变器) 在飞机电源( 4 0 0 h z ) ，试验电源， 移车电源，电子镇流器，u p s 等特种电源领域也有一定的应用盯l 【8 l 四】。 在变频变流技术发展的同时，交流电机控制技术也取得了突破性进展，除了开环的恒 v f 控制，又依次出现了转差控制、矢量控制、直接转矩控制等闭环控制系统。 转差频率控制的基本思想方法是：当异步电机运行于恒磁链时，定子电流的幅值由转差 频率和励磁电流决定。在给定励磁电流后，定子电流幅值为转差频率的函数，因此可以用转 差频率为控制变量对电流的幅值加以控制，保持磁谨匿定。在磁链恒定条件下，且转差频率 在限定范围内，电磁转矩基本上与转差频率成正比，可以通过控制转差频率控制异步电机的 同济大学博士学位论文第一章绪论 电磁转矩。定子频率信号等于转差频率与转速频率之和，定子频率随着实际转速增长而增长， 可以实现转速平滑调速，保证了较高的调速范围“驯。 矢量控制( v e c t o rc o n t r 0 1 ) 又称磁场定向( f i e l do r i e n t a t i o n ) 控制，它是1 9 6 8 年由 d a r m s t a d e r 工业大学的h a s s e 博士提出的。1 9 7 1 年西门子公司的b l a s c h k e 又将这种一般化 概念形成理论，并以磁场定向控制的名称发表。矢量控制把交流电机空间磁场矢量的方向作 为坐标轴的基准方向，将电机定子电流矢量正交分解成与磁场方向一致的激磁电流分量和与 磁场方向垂直的转矩电流分量，通过对激磁电流分量和转矩电流分量分别控制，使交流电机 能象它励直流电机一样控制临lh h 们 直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下 分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用滞环比较器( 砰一 砰控制) ，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的滞环范围内，滞环 宽度由频率调节器来控制，并产生p w m 脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制， 以获得高动态性能的转矩输出u u h 坨1 1 2 直接转矩控制技术研究与发展综述 1 2 1 直接转矩控制技术产生与优点 直接转矩控制( d t c ) 思想最早由a b p l u n k e t t l l 3 1 在1 9 7 7 年提出的，由于当时硬件条 件限制，对定子磁链的检测条件不成熟，该控制思想并没有引起重视。1 9 8 1 年，日本学者 山村昌在深入分析异步电动机的过渡过程的基础上提出了磁场加速法( f a m ) ，其核心思想 在于引：只要保持电机气隙磁链为恒幅值矢量，那么电机的其它变量( 如电流、电压、转矩 等) 均是滑差频率的单变量函数；只要改变滑差频率，其它变量就能相应地被改变，于是对 转矩的调节便可以通过保持气隙磁链为恒值矢量时调节滑差频率来实现；要保证异步电动机 动作的快速性，应尽可能地抑制电机中电磁暂态现象的发生，避免电机中出现电磁暂态过程 的条件就是在动态过程中保持电机的磁链幅值不变，至于磁场旋转的速度的不均匀变化，不 会引起暂态过程。这一结论给感应电机直接转矩控制提供了坚实的理论基础和有效的实现途 径。1 9 8 5 年，德国d e p e n b r o e k 教授u 首次提出六边形定子磁链的直接转矩控制方案，该方 案已经成功应用于主管开关频率有上限的大功率牵引逆变系统。1 9 8 7 年又把它推广到弱磁 调速范围1 9 8 6 年，日本的i t a k a h a s h i t 4 叫提出了圆形定子磁链的直接转矩控制方案，就是 常说的经典直接转矩控制方案，是现代直接转矩控制的先驱。 经典直接转矩控制技术对转矩直接控制时，通过转矩滞环比较器把转矩检测值与转矩给 定值作滞环比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内；通过磁链滞环比较器把定子磁链幅 值限定在给定值附近，以满足直接转矩控制的基本条件：根据定子磁链瞬时位置来确定控制 脉冲周期内所需要加的电压矢量，进而可以确定逆变器各相桥臂功率开关器件的开关状态。 直接转矩控制技术是近年来继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的、控制结构简 单、开发成本较低、具有高动态性能的交流变频调速技术，特别适合于没有速度检测的场合。 直接转矩控制是以简明的物理过程( 空间矢量) 为背景，极其方便地实现了定子磁链和电磁 转矩的闭环调节，使交流调速系统得到较好的静、动态性能。直接转矩控制避开了矢量控制 中的旋转坐标变换计算，而直接在定子坐标系上计算电机的转矩及定子磁链，动态控制性能 好，是一种很有前景的控制方法，自从其问世以来得到了国内外的普遍注意，且得到了迅速 发展。它具有如下优点喳】( 1 2 1 ： ( 1 ) 直接转矩控制技术只要求在二相静止坐标系中分析交流电机的数学模型，直接控 一2 一 同济大学博士学位论文第一章绪论 制电机的磁链和转矩，不需要象矢量控制中那样复杂的坐标交换技术，控制结构简单； ( 2 ) 在磁链和转矩的计算中所用到电机参数较少，转子参数变化对系统表现为是状态 干扰而非参数干扰，能通过闭环控制克服其影响，因此对电机的参数依赖性小，鲁棒性好； ( 3 ) 控制结构简单。便于全数字化控制； ( 4 ) 对磁链直接进行调节，易于弱磁控制，调速范围较宽： ( 5 ) 对转矩的直接控制，提高电机瞬间过载能力，可以充分利用电机容量； ( 6 ) 直接转矩控制技术转矩响应快，明显高于矢量控制与滑差控制。 1 2 2 直接转矩控制技术研究现状 直接转矩控制算法简单，控制性能存在低速问题、转矩与磁链的脉动等问题。目前国内 外还有许多学者投入大量精力针对直接转矩的低速时转矩、磁链的脉动的问题进行研究。 t g h a b c t l c r 副提出了预前控制方法，在一个采样周期内，根据磁链误差l l ，计算出定 子电压d 轴分量，根据转矩误差t 以及v d 值计算出定子电压q 轴分量，从而可以得到期 望的定子电压矢量，进一步利用相关的电压空间矢量控制技术来控制逆变器工作，然而此方 法需要在线解一个一元二次方程，降低了控制系统的实时性。 d c a s a d e i h 副深入分析转矩、磁链脉动问题后，提出了离散的电压空间矢量调制法直接 转矩控制，他把采样周期划分为三个小区间，再把二点式电压空间矢量图拓展到类似于三电 平电压矢量图，通过增加转矩滞环比较器的级数( 5 级) ，在不增加开关频率情况下来降低 磁链、转矩的脉动 y s l a i 把转矩误差t 、磁链误差v 通过p i 调节器得到定子磁链坐标系中的电压 矢量，再经过旋转坐标变换得到定子坐标系电压矢量，进而应用电压空间矢量技术调制出逆 变器开关信号，该方法引入了坐标旋转变换，提高了对定子磁链的准确性的要求。 t n o g u c h i 钔通过把高频低幅值的三角波加载到转矩、磁链误差上，以抵消反馈信号的 时间延迟，这种方法易于实现，可得到快速的开关信号。 c e m o u c a r y u 训提出了直接解耦控制，是通过把定子磁链幅值平方的误差、转矩的误差 直接乘上由定子磁链、转子磁链构成的解耦矩阵，直接得到定子电压矢量，该方案是在分析 定子磁链定向控制基础上，省掉了坐标旋转变换，但对感应电机的参数依赖性较大。 m e n i l l e s e n 四1 提出的预测脉宽直接转矩控制方案，就是通过降低单个控制脉冲周期内 的非零电压作用时间来抑制磁链、转矩的脉动的。根据直接转矩控制理论基础保持定子磁 链幅值不变，来确定一个一元二次方程，通过对这个一元二次方程可求解出在一个控制周期 内相应非零电压矢量作用时间。从而避免了在一个控制周期内只施加一种电压矢量，降低 了磁链的超调。但要通过解一个一元二次方程来确定权重，并且存在没有合理解的时候，还 得增加判别过程。增加了计算量，但该方案对电机的参数不敏感，没有用到转子参数，鲁棒 性较高。 e m o n m a s s o n 瞄提出了屏蔽掉开关选择表，直接利用定子磁链角度、磁链开关信号l l ，q 计算出所需要的电压矢量的角度，利用转矩开关信号t 0 计算出所需要的电压矢量的幅值， 再把二者通过极坐标反变换求算出定子坐标系中的电压值，进而可以确定出逆变器的开关信 号，从而揭示出直接转矩控制与电压空间矢量控制方法的内在联系。 j k k a n g t 2 2 j 在分析转矩上升、下降的速率的基础上，通过对转矩脉动最小值的计算，从 而确定了非零电压矢量的开关时刻，但是该方案厢剑的电机参数较多，鲁棒性较差。 为了兼顾功率开关器件的开关频率，在定子磁链轨迹为六边形的直接转矩控制技术方 面，文献 2 3 提出了内陷十八边形的直接转矩控制方案，从而在高速域可以有效的降低电流 一3 一 同济大学博士学位论文 第一章绪论 中高次谐波含量，适合于在牵引电机等大功率传动系统中应用。 v p e r e l m u t e r 删，在深入分析三电平逆变器电压空间矢量基础上，用三点式、四点式滞环 比较器代替二电平逆变器经典直接转矩控制中磁链滞环比较器、转矩滞环比较器，再引入转 差频率作为辅助量重新构造开关矢量表，从而把直接转矩控制技术应用到三电平变流器中， 可以有效的提高三电平变流器动态性能。 还有许多学者提出在控制系统中引入智能控制理论，利用模糊计算等方法来选择开关矢 量，并希望通过对感应电机定子电阻的辨识来消除其在低速时的不利影响心5 1 ，或者在定子磁 链观测器上作文章，通过引入神经元来准确地计算定子磁链，但无疑增加了计算的复杂性、 同时降低了直接转矩自身的鲁棒性。目前，在直接转矩控制方面，有许多学者致力于无速度 传感器方面的研究，以a b b 公司比驯为首已推出相应产品，取得了一定成绩。日本也将该方 面的研究成果用到铁路机车的异步牵引电动机的控制上。 1 2 3 直接转矩控制技术存在问题 由于直接转矩控制算法较为简单，其控制性能不可避免有一些问题：如存在低速问题， 转矩与磁链的脉动，逆变器开关频率随转速的变化而变化，稳态特性不够好等等。这些问题 不能通过单纯的增加逆变器开关频率来加以抑制。逆变器开关频率的增大势必造成开关损耗 的增加，需要更快的控制器来实现直接转矩控制的核心计算部分。 直接转矩控制技术存在低速时磁链、转矩脉动的问题，从原理上讲主要有以下几方面的 原因： ( 1 ) 死区效应的影响：为了避免同一桥臂的两个功率开关器件发生贯穿导通，常常在 其驱动电路中设置一个大于主管导通关断时间的延迟时间，这就是死区时间。可以认为在这 段延时时间内，上下主管均处于关断状态，输出电压不受驱动信号的控制而由电流方向决定， 此时电流由相应二极管续流，从而使该相电压可能输出一个误信号。有的学者提出利用开关 选择表得到的开关信号以及中间直流回路电压来计算三相交流电压，从而可以省掉交流侧的 电压传感器。在计算过程中忽略了死区时间的影响，导致定子磁链和转矩观测值偏离实际值。 需要采用死区补偿来加以抑制。 ( 2 ) 低速时，在一个控制周期内只有一种非零电压矢量起作用，从而使转矩上升速率 或下降速率太快；另外低速时候零电压矢量作用时，定子电阻上的压降所占比重较大，对定 子磁链的影响加大。针对这一现象，在一个采样周期内，调整非零电压矢量所占比重，降低 磁链、转矩的脉动。 ( 3 ) 电机高速运行时，电压矢量在定子磁链计算中所占比重很大，定子电阻压降与之 相比显得很小，可以忽略不计。但在低速运行时，由于电压矢量变得很小，与定子电阻乐降 在同一数量级上，此时必须考虑定子电阻的影响，准确测定出定子电阻冈温度变化、磁链饱 和而产生的变化，如果定子电阻的估计值偏差大，会严重影响系统的性能。文献 2 7 提出了 一种基于模糊控制的在线定子电阻观测器。该观测器把对定子电阻影响较人的三个因素即定 子电流、转速和运行时间作为输入量，输出定子电阻变化量，并根据电阻上升和下降规律的 不同设计了不同的电阻观测器。初值和观测器的输出值相加即可得到控制中所需的定子电 阻。该系统在运行方式不断改变的条件下，仍能准确跟踪定子电阻的变化，使系统的低速性 能有了很大的改进。 一4 一 同济人学博上学位论文第一章绪论 1 3 多电平变流技术研究与发展综述 1 3 1 研究背景 目前，广泛应用于电力、化工、石油、冶金、隧道与环保等领域的高压大容量泵类与风 机类电机在各种能耗中所占比例日益增大。为了节约能源、提高生产效率、降低生产成本， 采用高压大功率变频器成为人们首选方案。高压电机利用高压变频器可以实现无级调速，满 足生产工艺过程对电机调速控制的要求，以提高产晶的产量和质量。但仍有一定技术上困难 阻碍变频调速技术在高压大容量场合中的应用，主要闪素有啪1 ：逆变器主管耐压值不够高， 与电力系统中高压范围( 6 k v 、1 0 k v ) 不能直接匹配；高电压电力电子器件的开关损耗较 人，开关( 脉冲) 频率不能太高，影响到逆变器的i ：作效率；逆变器输出波形的谐波含量 较犬，对有些负载装置要求高供电质量时还需要额外增加滤波器；高压人功率变频调速系 统技术含量高，难度大，成本也高，而一般的风机、水泵等节能改造都要求低投入、高回报， 从而造成经济效益上的难题。随着电力电子技术的发展，尤其是变频调速技术的发展，高压 人功率调速技术逐步在各行业也得到了一定的应用。 在过去高压大容量应用中，除了少数低速场合应用“交一交”变频方式外，通常采用“交 一直一交”变频方式。早期出现的“交一直一交”高压变频器拓扑结构主要是“高一低一高”的间 接高压变频器方案，即将高压电源电压经降压变压器降至低压变频器允许的电压，再经过低 压二电平变频器变频变压后，经升压变压器升至高电压，供给高压电机。其实质上还是低压 变频器，只不过从电网和电机两端来看是高压的，是受到功率器件电压等级技术条件的限制 而采取的变通办法，需要输入、输出变压器，存在中间低压环节电流大，效率低下，影响了 节能效果，可靠性下降，占地面积大，还产生大量的高次谐波等缺点，只用于一些小容量高 压电机的简单调速。近期出现的“高一高”直接高压变频器方案，即高压电源电压直接经高 压开关柜送至高压变频器，变频变压后，供给高压电机。目前，大多数直接高压变频器由于 考虑到谐波对电网的污染及抑制电机共模电压，仍保留有输入变压器，这种变频器输出波形 好，功率因数高，效率较高，性能良好心引制“3 。 1 9 7 7 年，德国学者h o l t z m l 提出的三电平逆变方案吹响了多电平逆变技术的号角。后来 由日本学者n a b a e l 3 副加以发展改进，提出了实用的中性点箝位式逆变方案，为以后发展的二 极管箝位式多电平逆变技术奠定了基础。为了避免使用犬量的箝位二二极管有学者义提出了电 容箝位式多电平逆变技术啪。后来又有学者综合了二极管箝位式、电容箝位式多电平逆变结 构，提出了半桥式二电平逆变单元按“金字塔”结构构成的自均压通用型拓扑多电平逆变结 构h 7 6 o 这种自均压拓扑结构可以视为半桥式逆变单元叠加组合在一起构成多电平逆变器 的统一拓扑结构。与半桥箝位式多电平逆变技术相对应有学者提出了全桥逆变单元级连式多 电平逆变结构m 1 ，此级连拓扑结构可以视为全桥式逆变单元级连在一起构成多电平逆变器的 统一拓扑结构 1 3 2 多电平逆变技术拓扑结构 目前直接高压变频器的电路拓扑结构种类较多，相应的开关功率器件容量也越来越大。 主要有三种基本的拓扑结构：全桥级连式 7 7 1 、电容筘位式剐 晦、二极管箝位式巩 m 1 。这些直接高压变频器拓扑结构因输出电压比通用二电平变频器输出电平数多，而被称为 多电平变频器。所谓多电平逆变技术就是指逆变器输出相对予中间商流同路中点有多个电 平，当电平数为3 时，称为三电平逆变器，并可依此类推。多电平逆变器实质将电压型逆变 一5 一 同济大学博士学位论文第一章绪论 器的中间直流环节的高电压经大电容串联对直流电压进行分压得到( 或经多绕组移相变压器 多路输出分别整流再叠加来得到) ，其中还必须配以由二极管( 电容) 按一定规则箝位联结， 这样才能得到多电平逆变器技术1 。这种用于高压变频多电平技术也是目前一个学科发展的 新分支。 1 二极管箝位式多电平逆变技术 中性点箝位逆变器( n p c ) 是多电平逆变电路拓扑结构中发展最早的一种。由此方式扩 展成的二极管箝位式多电平逆变器实质是将中间直流环节的高电压经大电容串联分压，配以 由二极管按一定规则箝位联结得到的多电平，再按一定的开关逻辑控制功率开关器件产生需 要的电平级数，在输出端得到相应的正弦波形( 或者中间直流环节的高电压经多绕组移相变 压器多路输出分别整流再叠加来得到) 。图卜3 1 是一个基于半桥结构的二极管箝位式四电 平逆变器电路邺1 ，分压电容c hc 2 、c 。为变换电路提供了3 个相同的直流电压e 3 ，二极管 s hs ：、s s 、s 用于电平箝位。 图1 - 3 一l 二极管箝位式四电平逆变器一相电路 在图1 - 3 一l 中开通主管t h 亿、t 3 ，关断主管t 、t 5 、t 6 ，在逆变电路输出端可以得到 p 电位；开通t 2 、t 3 、1 r l ，关断t i 、t 5 、t 6 ，输出端可以 | 导到p 2 电位：开通t 3 、t 4 、t 5 ，关断 t l 、t 2 、t o ，输出端可以得到n 2 电位；开通t 4 、t 5 、t 6 ，关断t l 、t 2 、t 3 ，输出端可以得到n l 电位。可形成如表卜3 一l 所示的开关模式表。从逆变器电路结构图可以看出p 2 电平是靠主 管t 2 、t 3 、t 4 和箝位二极管s 。、s 。共同作用实现的；n z 电平是靠主管t 3 、n 、t 5 和箝位二二极 管s 。、s 。共同作用实现的。二极管箝位式四电平逆变器只能从表1 - 3 - 1 选择一种工作模式， 这就要求主管t t 和t | 、t 2 和t 5 、t 3 和t 6 控制脉冲是互反的。此外，电压型逆变器中上述主 管通断转换必须遵循先断后通的原则。 表卜3 1主管开关状态与输出电压 t lt 2t 3 t | t 5t 6 输出电压 1 通通通断断断2 e d 3 2 断通通通断断e d 3 3 断断 通通 通断 一e d 3 4 断断断 通 通通 一2 e d 3 二极管箝位式逆变器优点如f m hm 1 ：当电平数很高时，谐波含量很低，不需要输出 滤波器；每相桥臂功率开关器件间接串连，不存在任何两个串连器件同时导通或关断，所 以没有动态均压问题；所有功率开关器件在基频下工作，效率高；可控制无功功率流量； 背对背连接系统，控制方法简掣嘲。缺点如下：当电平数很高时，需要大量箝位二极管， 电路的开关控制逻辑十分复杂；对有功功率流量控制较困难：电容电压偏移。二极管筘 一6 一 n 酣一。 眩 h一。 也 酣一， 瞰 f酬ll 同济大学博士学位论文第一章绪论 位式多电平逆变器的多种电平由箝位二极管、分压电容箝位得到，三相输出的零序电流叠加 在各电平上，此时电流的流进和流出会造成分压电容的充放电不均衡而使各电平电位漂移， 影响输出波形的正弦性：功率开关器件需要承受不同的额定电流：箝位二极管所需阻断 电压不一致。对于二极管箝位式n 电平逆变器，功率开关器件反向阻断电压被箝位在e d ( n - 1 ) 电压上，但箝位二极管却需要不同倍数的e d ( n - 1 ) 反向阻断电压。如图1 - 3 - 1 所示，当功率 开关器件t 。、t 2 、t 3 导通时，箱位二极管s 2 要承受的反向阻断电压为2 个分压电容电压，即 2 e 。3 。若箝位二极管的反向阻断电压与功率开关器件相同，那么n 电平逆变器各相支路需 要的箝位二极管数是( n - 1 ) ( n 一2 ) 。当n 很大时，所需箝位二极管数量太多而使系统难以实 现旧1 。从表1 - 3 - 1 可见，开关下。只在输出电压为2 e d 3 时导通，而t 。除在输出为- 2 e 。3 外， 其它时间都导通，导通时间的不等性导致功率开关器件具有不同的电流额定值。 2 电容箝位式多电平逆变技术 电容箝位式多电平逆变器基本拓扑结构如图1 - 3 - 2 所示，这种拓扑结构又称为飞跨电容 式( f l y i n g c a p a c i t o r ) 逆变器- 鸥l m l 。图卜3 - 2 ( a ) 所示为三电平方案，图卜3 2 ( b ) 为五电平方案。电容的串联是为了表示箝位之间的电压电平。在电容箝位式三电平逆变器控 制规则中，当控制主管t 。、t 2 导通时，逆变器输出端相对于中间直流回路中性点0 的电压为 e 。2 ：控制主管t 3 、n 导通时，逆变器输出为一e d 2 ；控制主管t 。、t 3 或者t 2 、t 4 同时导通时， 逆变器输出都为0 。可形成逆变器工作模式如表1 - 3 - 2 所示。 表1 - 3 - 2 主管开关状态与输出电压 模式t 1t 2t 3t 输出电压 1通通断断e 。2 2 通断通 断 0 3 断通断通 o 4 断断通通- e 。2 ( a ) 三电平( b ) 五电平 图1 - 3 - 2 电容箝位式多电平逆变器拓扑结构图 由图卜争2 ( a ) 可以看出，虽然控制主管t 。、t ，或者t z 、l 同时导通都可以得到0 电平， 但是这两种组合对箝位电容c 。的影响正好相反：当主管t t 、t 3 导通时，箝位电容处于充 电状态；当主管t 2 、t i 导通时，箝位电容c n 处于放电状态。由此可见适当地选取0 电平开 关模式，可以保持箝位电容c ：，的电压平衡。 图卜3 - 2 ( b ) 所示为电容箝位式五电平逆变器，其控制规则如下： ( 1 ) 控制主管t 。、t 2 、t 3 、t 导通，逆变器输出端相对于中间直流回路中性点0 的电 压为v c l + = e d 2 ； 一7 一 p n o 隰 _ -_-_-_-i m 同济大学博士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 逆变器输出电压为e a 4 ，有三种控制组合： t l 、t ：、t 3 、t 5 导通时，输出相当于+ 一v c s 。= e d 2 - e 。1 4 = e 。4 ； t 2 、t 。、t 、t 。导通时，输出相当于v 斛+ v 淄+ v 饿一一v “= e j 4 ； t 。、t 3 、t 。、t ，导通时，输出相当于+ 一v c s i v c s 5 一v 渤+ v c s 2 + v c s 3 = e 。4 ； ( 3 ) 逆变器输出电压为0 ，有六种控制组合： t 。、t 2 、t 。、t 6 导通时，输出相当于+ 一v c 讫一v = o ； t ，、t “t ，、t 8 导通时，输出相当于v c s 2 + v 一v a v c 4 = o = t 。、t 3 、t 。、t r 导通时，输出相当于+ + v c 鸵+ v c s 3 一。一v c s 5 一v 璐一v c s k - - o ： t 。、l 、r 、t r 导通时，输出相当于v c 。+ + k 。一v c s 一v 镪一v = 0 ： t 2 、t 、t 6 、t 8 导通时，输出相当于i + v 踊+ v 淄+ 忆广一k v 一v 晶= o ； t 2 、t 3 、t 。、t 。导通时，输出相当于一v c s 5 + v 淄一亿。一一v c = o ： ( 4 ) 逆变器输出电压为一e a 4 ，有三种控制组合： t l 、t 5 、t 6 、t ，导通时，输出相当于+ 一v 泓一v c s 5 一v 渤一e d 4 ： n 、t 6 、t ，、t e 导通时，输出相当于。一v 口一v c = - e 。4 = t ，、t s 、t t 、t 。导通时，输出相当于v c s 2 + v 一亿l 一一k e 。4 ； ( 5 ) 控制主管t 5 、t e 、t t 、t e 导通，逆变器输出为一一v c = 一e a 2 。 如前所述，在相同的输出电平下，有的开关模式箝位电容处于充电状态，有的开关模式 箝位电容处于放电状态。由此可见选取适当的开关模式，可以保持箝位电容的电压平衡。电 容箝位式逆变器需要大量的箝位电容来保持电压平衡，假设每个箝位电容电压都是相同的， 对于n 电平逆变器，每一相需要( n - 1 ) ( n - - 2 ) 2 箝位电容，需要n - 1 个支撑电容。 由此可见电容箝位式多电平逆变器的控制模式比二极管箝位式多电平逆变器要复杂得 多。总的说来电容箝位式多电平逆变器具有以下优点：电容数越多，电平数越多，输出电 压谐波分量越少，越接近正弦波，不需要滤波器；功率开关器件工作在基频以下，开关损 耗低，效率高：可控制无功和有功功率，成为高压直流传输可能的电压源变换器；不同 的开关组合，可得到电压平衡；这种结构没有传统结构中的各级功率开关器件上的众多分 压分流装置，消除了系统可靠性低的因素，从而使系统结构简单、可靠、易于维护。缺点如 下：需大量的箝位电容，封装困难，成本较高；用于有功功率传输时，控制复杂，开关 频率高，开关损耗大：存在电容电压不平衡问题。 法国阿尔斯通( a l s t o m ) 公司生产的a l s p a v d m 6 0 0 0 系列高压变频器是电容箝位型变频器 的代表性产品。 3 全桥级连式多电平逆变技术 上面分析的两种多电平逆变器拓扑结构基本单元都是采用了半桥逆变结构，下面分析韵 多电平逆变器是基本单元采用全桥逆变结构、使用独立直流电源的全桥级连多电平逆变器 1 1 “州5 1 1 。全桥级连多电平逆变器的拓扑结构可分为非直接方式和直接方式：非直接方法 通过一个电磁接口，通常为一个多绕组移相变压器：直接方法是采用独立的直流电源( s d c ) ， 如燃料电池等。 图卜3 3 示出全桥级连式多电平逆变器每个基本单元由单相二电平全桥逆变器组成，基 本单元中间直流回路是独立的直流电压源。二电平全桥逆变器的输出电平由4 个功率开关器 件t 。、t 2 、t 3 、t 。控制，以上端电平为例，t 。、t 导通，则输出电压v 。= ，t 2 、t 3 导通则v = 一，t 。、t 2 或t 3 、t 导通则v 1 - = 0 。把n 个基本单元交流端串连起来就组成了全桥级连式 多电平逆变器基本拓扑，每相逆变器输出电压是由n 个二电平逆变器输出相加，即 v “= v c l + v 口+ + v a 。 一8 一 同济大学博士学位论文 第一章绪论 参照上述二极管箝位和电容器箝位多电平逆变器的定义。由级连逆变器组成的逆变器的 “电平”数为：n = 2 s + i ，其中s 是直流电源数，功率开关器件数：2 ( n 1 ) 。例如9 电平级 连逆变器每相由4 个直流电源和4 个全桥逆变器组成。 图卜3 3 采用独立直流电源的全桥级连式多电平逆变器一相结构 级连式多电平逆变器优点如下删1 倒“删：可以将耐压低、开关频率不高的功率器件 直接应用到高压大功率场合：电平数越多，输出电压谐波含量越少：功率开关器件在基 频f 开通关断，损耗小，效率高：由于各单元互相隔离，级连电路结构不存在静、动态均 压问题；无需箝位二极管或箝位电容，易于封装、模块化，单元模块化为实际安装、使用、 故障维护提供了很大便利；不存在电容电压平衡问题；基本二电平逆变器单元能采用软 开关，可以避免采用大量耗能的r c d 吸收回路。由于电路的每个基本单元都要用一个独立的 直流电源来实现箝位功能，虽然使用单独的直流电源可以使电路中的各个单元彼此隔离，、从 而解决单元串联时的动态均压和电压箝位问题；但随着电平数增加，串级电路单元使用的直 流电源数也将大量增加，多绕组移相变压器设计和制造变得困难，体积庞大，费用很高，这 是级连式多电平逆变器主要缺点。 美国r o b i n c 0 n 公司的完美无谐波系列变频器是这类系统的代表性产品。经过不断改进， 该公司近来推出完美无谐波变频器每相可由4 , - - 8 个功率单元串连，输出可达7 2 k v 以上。 新型的功率单元旁路技术，允许失效的单元在2 5 0 m s 内自动旁路；支持中性点偏移式的旁路 方案，在失效单元旁路后，6 k v 输出电路能维持9 4 以上的输出电压，保证系统不问断运行； 可支持变频运行和工频运行的在线切换。 北京先行机电公司开发的i i v f 2 0 0 0 系列变频器，也属于这一类多电平变频器。系统成功 的应用于工矿企业的大型异步同步电动机调速。 4 自均压通用型拓扑多电平逆变技术半桥筘位式多电平拓扑结构 这种具有